14位Single—slope ADC行為級建模與仿真

王玉嬌 黃靜 孫玲 韓笑 鄧洪海

摘 要： 單斜率型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器以其簡單的結(jié)構(gòu)、較高的分辨率和易于集成的優(yōu)勢，在紅外焦平面讀出電路設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。基于Matlab軟件環(huán)境下的Simulink工具，建立了一個14位Single?slope ADC的系統(tǒng)模型。其充分討論Simulink工具下電路各單元模塊的具體實現(xiàn)和信號間的時序關(guān)系，給出電路的行為級仿真結(jié)果，為Single?slope ADC的集成電路設(shè)計與實現(xiàn)提供參考。

關(guān)鍵詞： 單斜模/數(shù)轉(zhuǎn)換器； 行為級建模； 紅外焦平面； Simulink； 集成電路設(shè)計； 功能仿真

中圖分類號： TN492?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0104?04

Abstract： As the single?slope ADC has the advantages of simple structure， high resolution， and easy integration， it has been widely used in the design of the infrared focal plane read?out circuit. Based on the Simulink tool in the Matlab software environment， a 14?bit single?slope ADC system model is built. The specific implementation utilizing the Simulink tool for each unit module of the circuit and the time sequence relationship among signals are fully discussed. The behavioral simulation results of the circuit are given， which provides a reference for the design and implementation of the single?slope ADC integrated circuit.

Keywords： Single?slope ADC； behavioral modeling； infrared focal plane； Simulink； integrated circuit design； functional simulation

0 引 言

紅外焦平面成像系統(tǒng)在軍事、醫(yī)療掃描、空間探測、環(huán)境監(jiān)控以及民用消費電子方面有著廣泛的應(yīng)用[1]。紅外探測器是紅外焦平面成像系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，其一般由探測器陣列和讀出集成電路（Readout Integrated Circuit，ROIC）兩部分組成。為了便于系統(tǒng)后續(xù)數(shù)字化處理，集成了模/數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog?to?Digital Converter， ADC）模塊的ROIC電路，實現(xiàn)了數(shù)字化讀出取代模擬讀出鏈，成為人們研究的熱點之一[2]。隨著半導(dǎo)體工藝的提升和集成電路設(shè)計技術(shù)的進步，ADC一直朝著高精度、低功耗和高速的方向發(fā)展[3?5]。在全并行結(jié)構(gòu)（FLASH）、分級型結(jié)構(gòu)（Subranging）、流水線結(jié)構(gòu)（Pipeline）和逐次逼近型結(jié)構(gòu)（Successive Approximation Register，SAR）等多種不同結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方式的ADC中，Single?slope ADC 以其較高的分辨率和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，非常適用于紅外焦平面讀出電路。

本文在深入掌握傳統(tǒng)Single?slope ADC工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合紅外焦平面陣列的讀出電路特點，提出一種改進的Single?slope ADC架構(gòu)。借助Matlab環(huán)境下的Simulink工具，完成一個14位Single?slope ADC電路的行為級建模，并進行仿真分析，驗證了改進架構(gòu)的可行性。

1 電路工作原理

一個典型的Single?slope ADC電路系統(tǒng)框圖如圖1a）所示，由圖可見，該電路包含了一個斜坡發(fā)生器、一個時間間隔計數(shù)器、一個比較器、一個與門和一個產(chǎn)生輸出碼字的計數(shù)器[6]。轉(zhuǎn)換周期開始時，模擬輸入信號輸入到比較器正相端，計數(shù)器被復(fù)位；時鐘信號一方面作用于時間間隔計數(shù)器，觸發(fā)斜坡發(fā)生器產(chǎn)生輸出信號到比較器的反相端，另一方面作用于與門，控制信號輸出；比較器的輸出結(jié)果與時鐘信號經(jīng)與門后作為輸出計數(shù)器的時鐘信號，觸發(fā)該計數(shù)器計數(shù)并輸出當(dāng)前模擬量的轉(zhuǎn)換結(jié)果。該圖中，當(dāng)斜坡發(fā)生器的信號小于模擬輸入信號時，比較器輸出高電位，與時鐘脈沖相與后觸發(fā)計數(shù)器計數(shù)；隨著斜坡信號的上升，當(dāng)斜坡信號大于模擬輸入信號時，比較器輸出低電位，與門輸出保持為低電位，計數(shù)器停止計數(shù)，輸出當(dāng)前的轉(zhuǎn)換值。可見，Single?slope ADC是一種串行ADC，僅適用于紅外焦平面系統(tǒng)的單通道ADC轉(zhuǎn)換需求[7]。在紅外焦平面陣列中，若仍采用這種傳統(tǒng)Single?slope ADC架構(gòu)，那么，隨著通道數(shù)量的增加，讀出電路的面積也增加，降低了系統(tǒng)的集成度。因此，本文提出一種如圖1b）所示的改進型Single?slope ADC架構(gòu)。在該架構(gòu)中，輸入通道增加了一個采樣保持模塊，但多個通道的模/數(shù)轉(zhuǎn)換可以共用一個計數(shù)器，從而有效減小電路面積，降低功耗，提高集成度。

由圖1b）可見，本文設(shè)計的Single?slope ADC電路包括采樣保持電路、斜坡發(fā)生器電路、比較器電路、鎖存器電路和計數(shù)器電路。首先，輸入的模擬信號經(jīng)采樣保持電路后送到比較器的同相端，斜坡發(fā)生器的輸出信號被送到比較器的反相端。接著，比較器對輸入的兩路信號進行比較，當(dāng)輸入的模擬信號大于等于斜坡發(fā)生器的輸出信號時，比較器輸出高電平；當(dāng)輸入的模擬信號小于斜坡發(fā)生器的輸出信號時，比較器輸出低電平。然后，比較器的輸出信號被作為鎖存器的鎖存控制信號，不斷進行周期計數(shù)的計數(shù)器輸出作為鎖存器的鎖存輸入信號。當(dāng)輸入模擬信號小于斜坡發(fā)生器的輸出信號，比較器輸出低電平時，鎖存器停止鎖存，并輸出此時的計數(shù)器狀態(tài)，從而實現(xiàn)模擬電平到數(shù)字電平的轉(zhuǎn)換。

2 改進架構(gòu)的Single?slope ADC行為建模

根據(jù)圖1b）所示的Single?slope ADC系統(tǒng)框圖，在Matlab軟件環(huán)境下的Simulink工具中搭建一個14位Single?slope ADC系統(tǒng)模型的過程與分析如下。

2.1 采樣保持模塊

采樣保持電路用以確保Single?slope ADC在轉(zhuǎn)換期間保持輸入信號不變，以供后續(xù)電路進行量化處理。結(jié)合計數(shù)器清零的要求，采樣保持電路時鐘CLK1與系統(tǒng)時鐘CLK2的周期關(guān)系如下：

2.2 斜坡發(fā)生器模塊

斜坡發(fā)生器是Single?slope ADC的關(guān)鍵模塊之一[8]，利用Simulink中Repeating Sequence模塊可產(chǎn)生一個線性的斜坡信號。該斜坡信號的取值范圍必須與輸入的模擬信號幅值變化范圍一致。本文取模擬輸入的范圍為：0～1 V，所以斜坡發(fā)生器的信號輸出范圍也為：0～1 V。此外，斜坡信號產(chǎn)生的時間周期和采樣時間周期相同，即0.163 85 ms。因此，Matlab中Repeating Sequence模塊參數(shù)設(shè)置如圖2所示。

2.3 比較器模塊

比較器用來比較采樣保持后輸出電壓和斜坡發(fā)生器輸出電壓：當(dāng)采樣保持電路的輸出電壓大于等于斜坡發(fā)生器的輸出電壓時，比較器的輸出為高電位；當(dāng)采樣保持電路的輸出電壓小于斜坡發(fā)生器的輸出電壓時，比較器的輸出為低電位[9]。

2.4 計數(shù)器模塊

計數(shù)器不斷地進行周期性計數(shù)的同時還為鎖存器提供觸發(fā)鎖存信號。在設(shè)計仿真中，為了保證被量化的模擬輸入電平能夠得到相對應(yīng)的二進制碼，產(chǎn)生斜坡信號的時間周期和計數(shù)器計數(shù)的時間周期相同[10]。按照量化單位與輸入模擬量的關(guān)系：[▽=12nVin]，當(dāng)轉(zhuǎn)換位數(shù)n為14，模擬輸入電壓Vin為0～1 V時，[▽=1214 V]。于是得到量化模擬輸入電平與二進制碼的關(guān)系見表1。

利用Simulink中帶有清零功能的D觸發(fā)器，可實現(xiàn)n位同步計數(shù)器。圖3為使用14個D觸發(fā)器的模214同步計數(shù)器行為級模型示意圖，其中，CLK是計數(shù)器的時鐘輸入信號，CLR是清零信號，out0～out13為計數(shù)器的數(shù)字輸出。

2.5 鎖存器模塊

鎖存器電路是連接模擬輸入轉(zhuǎn)化為數(shù)字輸出的橋梁。利用Simulink中帶有觸發(fā)功能的D鎖存器，搭建了14位鎖存器行為級模型，實現(xiàn)同步鎖存的功能。圖4給出14位鎖存器的行為級建模示意圖。其中：輸入端C連接比較器的輸出，進行高有效鎖存；輸入端D接計數(shù)器模塊的輸出端為out0～out13；Q0～Q13為鎖存后的數(shù)字輸出。比較器輸出高電位時，鎖存器對當(dāng)前時刻的數(shù)值狀態(tài)進行鎖存并輸出；當(dāng)比較器翻轉(zhuǎn)輸出為低電位時，鎖存器鎖存的輸出值始終保持在翻轉(zhuǎn)時刻的數(shù)字狀態(tài)，直到下個時刻當(dāng)比較器輸出為高電位時再進行高有效位的鎖存。

3 Single?slope ADC的行為級功能仿真

利用Simulink工具，本文還搭建了一個14位D/A轉(zhuǎn)換電路，用來檢驗在相同時刻下，數(shù)字輸出再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路后的輸出波形與采樣保持的輸出波形是否一致。設(shè)輸入信號的周期為6.554 ms，采樣保持電路的周期為0.163 85 ms，仿真時間為10 ms。模擬輸入信號經(jīng)采樣保持后的輸出波形與數(shù)字輸出經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出波形如圖5所示，可以看出，相同時刻下，數(shù)字輸出再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后的波形和采樣保持后輸出的波形一致。比較器的輸出如圖6所示，可以看出采樣保持的電位越高，比較器高電位保持的時間越長，反之越短。當(dāng)輸入為0.5 V時，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電路得到的輸出波形如圖7所示，此時的模擬值為0.5 V，對應(yīng)的數(shù)字量為8 192，鎖存器的輸出值為：10000000000000。與表1中給出的量化模擬輸入電平與二進制碼所對應(yīng)關(guān)系10000000000000一致。

4 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)Single?slope ADC架構(gòu)在紅外焦平面陣列的讀出集成電路應(yīng)用中的不足，提出一種改進的Single?slope ADC架構(gòu)。利用Matlab環(huán)境下的Simulink工具，建立了改進型Single?slope ADC的行為級仿真模型，并進行了仿真驗證分析。仿真結(jié)果表明，本文提出的改進方案切實可行，為集成電路的晶體管級設(shè)計提供了有效參考。

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